JP2006012684A - 燃料電池及び燃料電池発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 燃料電池の発電能力を維持しつつ、カソード電極上での結露を抑制する。
【解決手段】カソード側セパレータ105において、酸化剤ガスとしての酸素をカソード電極上で拡散させる酸素拡散通路として、少なくとも2つの通路1051,1052を形成する。カソード側セパレータの第1の領域105aに第1の拡散通路1051を形成し、この第1の領域105aよりもカソード側セパレータ105における酸素の実質的な流通方向F1に関して下流側に隣接する第2の領域105bに、第1の拡散通路1051とは区画して第2の拡散通路1052を形成する。
【選択図】 図2
【解決手段】カソード側セパレータ105において、酸化剤ガスとしての酸素をカソード電極上で拡散させる酸素拡散通路として、少なくとも2つの通路1051,1052を形成する。カソード側セパレータの第1の領域105aに第1の拡散通路1051を形成し、この第1の領域105aよりもカソード側セパレータ105における酸素の実質的な流通方向F1に関して下流側に隣接する第2の領域105bに、第1の拡散通路1051とは区画して第2の拡散通路1052を形成する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、燃料電池及びこれを含んで構成される燃料電池発電装置に関し、詳細には、カノード側セパレータに形成される酸化剤ガス拡散通路の改善により、発電反応に伴い燃料電池のカソード電極上で発生する結露を抑制する技術に関する。
燃料電池は、固体高分子等からなる電解質膜の各側にアノード電極又はカソード電極を形成して膜・電極構造体を構成し、この膜・電極構造体のアノード電極側にアノード側セパレータを、カソード電極側にカソード側セパレータを配置して構成されるのが一般的である。この燃料電池において、アノード側セパレータには、水素含有ガスをアノード電極上に流通させるための燃料通路が形成され、他方、カソード側セパレータには、酸素含有ガス(たとえば、空気)をカソード電極上に流通させるための酸素通路が形成される。このような膜・電極構造体、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータを接合させて構成されるものを単位セルとし、この単位セルを複数積層してスタックを構成することで、必要な発電能力が得られるようにしている。
通常、燃料電池では、発電能力の確保及び電解質膜の保護を目的とし、水素含有ガス及び酸素含有ガスの双方を適度に加湿した状態で対応する電極に流通させる。カソード電極側では、この加湿のための水蒸気に発電反応に伴い発生した水が加わり、酸素含有ガスに含まれる水蒸気を飽和させることで、酸素通路内で液滴が生じる。発生した液滴がカソード電極上で結露し、特に酸素通路の下流側でカソード電極上での酸素の拡散が妨げられることで、発電能力を低下させることは、よく知られた問題である。
この結露による発電能力の低下の問題に対応した燃料電池発電装置として、次のものが知られている。すなわち、カソード側セパレータにおいて、隣り合う酸素通路で酸素含有ガスの流通方向を逆向きに設定し、セパレータ全体で酸素含有ガスの湿度を一様にしたものである(特許文献1)。
特開2001−043872号公報(段落番号0011)
しかしながら、この公知の燃料電池発電装置には、次のような問題がある。すなわち、この装置では、カソード側セパレータの隣り合う酸素通路で流れの方向を逆向きに設定したことで、カソード電極上では、酸素が消費される前の比較的に新規な酸素含有ガスと、酸素通路を流通し、酸素の消費が進んだ酸素含有ガスとが混合することとなる。これにより酸素含有ガスの湿度が一様となるが、同時にカソード電極全体に渡り酸素の濃度が平均されて低下し、セル全体としての発電能力が低下してしまう。低下した濃度を補うために酸素含有ガスの流量を増大させると、加湿に必要とされる加熱エネルギーが増大し、システム全体としての効率が低下してしまう。
本発明は、燃料電池の発電能力を維持しつつ、カソード電極上での結露を抑制することを目的とする。
本発明は、燃料電池及び燃料電池発電装置を提供する。本発明に係る燃料電池は、電解質膜の一側にアノード電極が、他側にカソード電極が形成された電池本体と、電池本体のアノード電極側に配置され、アノード電極上に燃料を流通させる燃料拡散通路が形成されたアノード側セパレータと、電池本体のカソード電極側に配置され、カソード電極上に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス拡散通路が形成されたカソード側セパレータとを含んで構成される。カソード側セパレータには、酸化剤ガス拡散通路として、このセパレータの第1の領域に第1の拡散通路が設けられるとともに、この第1の領域よりも第1の拡散通路における酸化剤ガスの実質的な流通方向に関して下流側の第2の領域に、第1の拡散通路とは区画して第2の拡散通路が設けられる。また、本発明に係る燃料電池発電装置は、この燃料電池に加え、燃料拡散通路に接続された、アノード電極に供給される燃料を流通させる燃料供給通路と、酸化剤ガス拡散通路に接続された、カソード電極に供給される酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給通路と、この酸化剤ガス供給通路を流れる酸化剤ガスの湿度を調整する湿度調整手段とを含んで構成される。酸化剤ガス供給通路として、第1の拡散通路に第1の供給通路が、第2の拡散通路に第2の供給通路が接続される。湿度調整手段により、第2の供給通路を流れる酸化剤ガスが、第1の供給通路を流れる酸化剤ガスとは異なる湿度(好ましくは、第1の供給通路を流れる酸化剤ガスよりも低い湿度)に調整される。
本発明によれば、燃料電池のカソード側セパレータにおいて、第1の領域と第2の領域とに区画して、酸化剤ガス拡散通路としての第1の拡散通路及び第2の拡散通路を設け、各拡散通路に対し、個別に酸化剤ガス(たとえば、酸素)を流通させることとした。このため、第1の領域において、発電反応により酸化剤ガスが消費され、かつ湿度が増大したガスを第1の拡散通路から排出する一方、下流側の第2の領域において、適度な湿度の(好ましくは、湿度調整手段により第1の拡散通路に対するものよりも低い湿度に調整された)新規な酸化剤ガスを供給することができるので、第2の拡散通路を流れる酸化剤ガスの濃度を良好なものとして、燃料電池の発電能力を維持するとともに、第2の拡散通路内で水蒸気が飽和することを可能な限り防止して、カソード電極上での結露を抑制することができる。
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池発電装置の構成を示している。本実施形態では、燃料電池1として、高分子固体電解質型のものを採用している。
燃料電池1は、電解質膜101にポリマーが採用され、この電解質膜101の一側にアノード電極102が、他側にカソード電極103が形成されている。電解質膜101をアノード電極102及びカソード電極103で挟み、これらを圧着することで、膜・電極構造体(MEA:「電池本体」に相当する。)が構成される。この膜・電極構造体に対し、アノード電極側にアノード側セパレータ104が、カソード電極側にカソード側セパレータ105が、図示しないガスケットを介して夫々配置されている。膜・電極構造体、アノード側セパレータ104、カソード側セパレータ105及び各ガスケットを接合することで、燃料電池1の単位セルが構成される。本実施形態では、この単位セルを要求される出力に応じた数だけ積層して、スタックを構成している。この燃料電池発電装置により自動車の駆動源を構成することができる。
図1は、本発明の一実施形態に係る燃料電池発電装置の構成を示している。本実施形態では、燃料電池1として、高分子固体電解質型のものを採用している。
燃料電池1は、電解質膜101にポリマーが採用され、この電解質膜101の一側にアノード電極102が、他側にカソード電極103が形成されている。電解質膜101をアノード電極102及びカソード電極103で挟み、これらを圧着することで、膜・電極構造体(MEA:「電池本体」に相当する。)が構成される。この膜・電極構造体に対し、アノード電極側にアノード側セパレータ104が、カソード電極側にカソード側セパレータ105が、図示しないガスケットを介して夫々配置されている。膜・電極構造体、アノード側セパレータ104、カソード側セパレータ105及び各ガスケットを接合することで、燃料電池1の単位セルが構成される。本実施形態では、この単位セルを要求される出力に応じた数だけ積層して、スタックを構成している。この燃料電池発電装置により自動車の駆動源を構成することができる。
アノード側セパレータ104には、アノード電極102との接合面に、燃料拡散通路(図4)が形成されている。燃料としての水素は、燃料供給通路201を介して図示しない高圧水素タンクから燃料電池1に供給される。燃料供給通路201には、図示しない圧力制御弁及び加湿器が設置されている。高圧水素タンク内の水素は、圧力制御弁により所定の圧力に減圧されるとともに、加湿器により湿度が調整された後、燃料電池1に供給される。燃料供給通路201は、燃料拡散通路に接続されており、供給された水素は、燃料拡散通路を流通し、アノード電極102上で拡散される。アノード電極102上では、次式で表される反応が生じ、この反応により水素が消費される。反応後の排出水素は、燃料排出通路202に送出される。
H2→2H++2e- ・・・(1)
図4は、アノード側セパレータ104のアノード電極102との接合面を示している。
本実施形態では、アノード側セパレータ104における燃料の実質的な流通方向(以下「燃料流通方向」という。)を、燃料電池1の実装状態で下向き(矢印F2)に設定している。アノード側セパレータ104には、アノード電極102に対峙する部分よりも燃料流通方向F2に関して上流側に入口マニホールド1061が、下流側に出口マニホールド1062が形成されている。燃料拡散通路1041は、入口マニホールド1061及び出口マニホールド1062に接続されており、この対峙する部分を横断させて、かつこれらのマニホールド1061,1062の間を燃料流通方向F2とは垂直な方向に蛇行させて形成されている。
図4は、アノード側セパレータ104のアノード電極102との接合面を示している。
本実施形態では、アノード側セパレータ104における燃料の実質的な流通方向(以下「燃料流通方向」という。)を、燃料電池1の実装状態で下向き(矢印F2)に設定している。アノード側セパレータ104には、アノード電極102に対峙する部分よりも燃料流通方向F2に関して上流側に入口マニホールド1061が、下流側に出口マニホールド1062が形成されている。燃料拡散通路1041は、入口マニホールド1061及び出口マニホールド1062に接続されており、この対峙する部分を横断させて、かつこれらのマニホールド1061,1062の間を燃料流通方向F2とは垂直な方向に蛇行させて形成されている。
他方、カソード側セパレータ105には、カソード電極103との接合面に、「酸化剤ガス拡散通路」としての酸素拡散通路1051,1052が形成されている。
図2は、カソード側セパレータ105のカソード電極103との接合面を、図3は、カソード側セパレータ105のA−A線断面を示している。
本実施形態では、カソード側セパレータ105における酸素(「酸化剤ガス」に相当する。)の実質的な流通方向(以下「酸素流通方向」という。)を、燃料流通方向F2と同様な下向き(矢印F1)に設定し、酸素流通方向F1に関して上流側に第1の領域105aを、この第1の領域105aに対して下流側に隣接させて第2の領域105bを設定している。カソード側セパレータ105には、酸素拡散通路として、第1の領域105aに対応させて第1の拡散通路1051が、第2の領域105bに対応させて第2の拡散通路1052が形成されており、各拡散通路1051,1052は、領域の境界でカソード側セパレータ105のリブR(図3)により区画され、各領域105a,105b内で終結している。
図2は、カソード側セパレータ105のカソード電極103との接合面を、図3は、カソード側セパレータ105のA−A線断面を示している。
本実施形態では、カソード側セパレータ105における酸素(「酸化剤ガス」に相当する。)の実質的な流通方向(以下「酸素流通方向」という。)を、燃料流通方向F2と同様な下向き(矢印F1)に設定し、酸素流通方向F1に関して上流側に第1の領域105aを、この第1の領域105aに対して下流側に隣接させて第2の領域105bを設定している。カソード側セパレータ105には、酸素拡散通路として、第1の領域105aに対応させて第1の拡散通路1051が、第2の領域105bに対応させて第2の拡散通路1052が形成されており、各拡散通路1051,1052は、領域の境界でカソード側セパレータ105のリブR(図3)により区画され、各領域105a,105b内で終結している。
カソード側セパレータ105には、第1の領域105aに対し、酸素流通方向F1に関して上流側に第1の入口マニホールド1053が、下流側に第1の出口マニホールド1054が形成されている。第1の拡散通路1051は、第1の入口マニホールド1053及び第2の出口マニホールド1054に接続されており、かつこれらのマニホールド1053,1054の間を酸素流通方向F1とは垂直な方向に蛇行させて形成されている。また、第2の領域105bに対し、酸素流通方向F1に関して上流側に第2の入口マニホールド1055が、下流側に第2の出口マニホールド1056が形成されている。第2の拡散通路1052は、第2の入口マニホールド1055及び第2の出口マニホールド1056に接続されており、かつ第1の拡散通路1051と同様に蛇行させて形成されている。
更に、カソード側セパレータ105には、アノード側セパレータ104の燃料拡散通路に導入され又は燃料拡散通路から送出される水素を流通させるための通路1061,1062が形成されている。
図1において、カソード側セパレータ105の酸素拡散通路1051,1052には、酸素供給通路301a,301bが接続されている。この酸素供給通路は、1本の通路を途中で分岐させて形成されている。分岐後の一方の通路(「第1の供給通路」に相当する。)301aが第1の拡散通路1051に、他方の通路(「第2の供給通路」に相当する。)301bが第2の拡散通路1052に接続されている。分岐部よりも上流側の末端は、大気に開放されている。酸素供給通路には、分岐部よりも上流側に、図示しないエアクリーナ及びコンプレッサが設置されている。また、分岐後の第1及び第2の供給通路301a,301bには、流量制御弁401a,401b及び加湿器402a,402bが夫々設置されている。本実施形態に関し、流量制御弁401a及びコンプレッサが第1の調整手段を、流量制御弁401b及びコンプレッサが第2の調整手段を構成する。また、加湿器402a,402bが湿度調整手段を構成する。
図1において、カソード側セパレータ105の酸素拡散通路1051,1052には、酸素供給通路301a,301bが接続されている。この酸素供給通路は、1本の通路を途中で分岐させて形成されている。分岐後の一方の通路(「第1の供給通路」に相当する。)301aが第1の拡散通路1051に、他方の通路(「第2の供給通路」に相当する。)301bが第2の拡散通路1052に接続されている。分岐部よりも上流側の末端は、大気に開放されている。酸素供給通路には、分岐部よりも上流側に、図示しないエアクリーナ及びコンプレッサが設置されている。また、分岐後の第1及び第2の供給通路301a,301bには、流量制御弁401a,401b及び加湿器402a,402bが夫々設置されている。本実施形態に関し、流量制御弁401a及びコンプレッサが第1の調整手段を、流量制御弁401b及びコンプレッサが第2の調整手段を構成する。また、加湿器402a,402bが湿度調整手段を構成する。
本実施形態では、燃料電池1に酸素を供給するため、大気中の空気が取り込まれる。この空気は、エアクリーナにより粉塵等が除去された後、コンプレッサ及び各流量制御弁401a,401b、並びに各加湿器402a,402bにより流量又は圧力、及び湿度が調整され、燃料電池1に供給される。流量制御弁401a,401b及び加湿器402a,402bが供給通路毎に設置されているため、各供給通路301a,301bを流れる空気の流量(又は圧力)及び湿度を個別に調整することができる。供給された空気は、第1及び第2の拡散通路1051,1052を流通し、カソード電極105上で拡散される。カソード電極105上では、次式で表される反応が生じ、この反応により酸素が消費されるとともに、水が発生する。発生した水は、加湿のための水に加わり、カソード電極105上で結露を生じさせる原因となる。
1/2O2+2H++2e-→H2O ・・・(2)
本実施形態では、第1の領域105aと第2の領域105bとで、リブRにより酸素拡散通路1051,1052を区間して形成している。このため、第1の拡散通路1051を流通した排出空気は、第1の出口マニホールド1054から速やかに送出され、他方、第2の拡散通路1052には、第2の入口マニホールド1055から酸素を適度な濃度で含む新たな空気が導入される。第1及び第2の領域105a,105bの境界付近のカソード電極105上では、排出空気の一部が新気と混合することで、第1の拡散通路1051の下流側末端部に存在する水蒸気の一部が第2の拡散通路1052の上流側末端部に移動する。移動した水蒸気は、第2の拡散通路1052を流れる空気の湿度を増加させる。反応後の排出空気は、第1又は第2の拡散通路1051,1052に接続された第1又は第2の排出通路302a,302bに送出される。
本実施形態では、第1の領域105aと第2の領域105bとで、リブRにより酸素拡散通路1051,1052を区間して形成している。このため、第1の拡散通路1051を流通した排出空気は、第1の出口マニホールド1054から速やかに送出され、他方、第2の拡散通路1052には、第2の入口マニホールド1055から酸素を適度な濃度で含む新たな空気が導入される。第1及び第2の領域105a,105bの境界付近のカソード電極105上では、排出空気の一部が新気と混合することで、第1の拡散通路1051の下流側末端部に存在する水蒸気の一部が第2の拡散通路1052の上流側末端部に移動する。移動した水蒸気は、第2の拡散通路1052を流れる空気の湿度を増加させる。反応後の排出空気は、第1又は第2の拡散通路1051,1052に接続された第1又は第2の排出通路302a,302bに送出される。
流量制御弁401a,401b及び加湿器402a,402b(並びにコンプレッサ等の他の装置)の動作は、コントロールユニット601により制御される。本実施形態では、第1の供給通路301a、第2の供給通路301b、第1の排出通路302a及び第2の排出通路302bの各々に第1〜第4の流量センサ501〜504が設置されるとともに、第2の供給通路301bに温度センサ505が設置されている。コントロールユニット601は、各センサ501〜505の出力をもとに、流量制御弁及び加湿器等の動作を制御する。
次に、コントロールユニット601の動作について、図1により説明する。
コントロールユニット601は、要求される出力又は負荷に応じた空気の基本流量又は圧力を設定し、設定した基本流量等に応じてコンプレッサ及び流量制御弁401a,401bを制御する。また、コントロールユニット601は、加湿器402a,402bを制御し、第1及び第2の供給通路301a,301bを流れる空気に対し、設定した基本流量等に応じた最適な量の水蒸気を添加させる。添加される水蒸気の量は、発電能力の確保及び電解質膜101の保護に充分なものとし、通常は、第2の拡散通路1052に供給される空気が第1の拡散通路1051に供給される空気よりも低い湿度となるように加湿器402a,402bを作動させる。
コントロールユニット601は、要求される出力又は負荷に応じた空気の基本流量又は圧力を設定し、設定した基本流量等に応じてコンプレッサ及び流量制御弁401a,401bを制御する。また、コントロールユニット601は、加湿器402a,402bを制御し、第1及び第2の供給通路301a,301bを流れる空気に対し、設定した基本流量等に応じた最適な量の水蒸気を添加させる。添加される水蒸気の量は、発電能力の確保及び電解質膜101の保護に充分なものとし、通常は、第2の拡散通路1052に供給される空気が第1の拡散通路1051に供給される空気よりも低い湿度となるように加湿器402a,402bを作動させる。
本実施形態では、第1及び第2の供給通路301a,301b及び第1及び第2の排出通路302a,302bの各々に第1〜第4の流量センサ501〜504が設置されている。コントロールユニット601は、これらの流量センサ501〜504の出力から、第1の領域105a及び第2の領域105bに対応するカソード電極103上での発電反応の進行度合いを検出するとともに、検出した進行度合いから、発電反応に伴い各電極部分で発生する水蒸気の量(以下「水蒸気発生量」という。)を推定する。すなわち、コントロールユニット601は、第1及び第3の流量センサ501,503の出力から、第1の領域105aに対応する電極部分で発電反応に消費された酸素の量を検出するとともに、検出した酸素の量から、(2)式により第1の拡散通路1051での水蒸気発生量qh1を算出する。また、第2及び第4の流量センサ502,504の出力から、第2の領域105bに対応する電極部分で発電反応に消費された酸素の量を検出するとともに、検出した酸素の量から、(2)式により第2の拡散通路1052での水蒸気発生量qh2を算出する。コントロールユニット601は、算出した水蒸気発生量qh1,qh2に応じ、流量制御弁401a,401b又は加湿器402a,402bを制御し、第2の拡散通路1052に供給される空気の湿度を調整する。
たとえば、コントロールユニット601は、第1の領域105aに関する水蒸気発生量qh1に応じて流量制御弁401a,401bを制御し、水蒸気発生量qh1が多いときほど第2の供給通路301bを流れる空気の流量又は圧力を増大させることで、第2の拡散通路1052に供給される空気の湿度を相対的に低下させる。これにより、第1の拡散通路1051と第2の拡散通路1052との間で湿度差が拡大され、第1の拡散通路1051から第2の拡散通路1052への水蒸気の移動が促進されることで、第1の拡散通路1051で湿度が低下し、結露が抑制される。これに併せ、第2の拡散通路1052では、加湿器402bにより添加された水蒸気に、移動により添加された水蒸気が加わる結果、良好な湿度が形成される。これと同様な作用は、水蒸気発生量qh1に応じて加湿器402bを制御し、水蒸気発生量qh1が多いときほどこの加湿器402bにより添加される水蒸気の量(以下「水蒸気添加量」という。)を減少させることでも得ることができる。
また、コントロールユニット601は、第2の領域105bに関する水蒸気発生量qh2に応じて流量制御弁401a,401bを制御し、水蒸気発生量qh2が多いときほど第2の供給通路301bを流れる空気の流量又は圧力を増大させることで、第2の拡散通路1052に供給される空気の湿度を相対的に低下させ、第2の拡散通路1052における結露を抑制する。これと同様な作用は、水蒸気発生量qh2に応じて加湿器402bを制御し、水蒸気発生量qh2が多いときほどこの加湿器402bによる水蒸気添加量を減少させることでも得ることができる。
なお、温度センサ505の出力は、コントロールユニット601において、第2の供給通路301bを流れる空気の流量若しくは圧力、又は加湿器402bによる水蒸気添加量の補正に採用される。すなわち、コントロールユニット601は、検出した温度に応じて流量制御弁401a,401b又は加湿器402bを制御し、この温度が低いときほど第2の拡散通路1052に供給される空気の湿度を低下させることで、低温時における結露を防止することができる。
水蒸気発生量qh1,qh2を検出するための手段には、流量センサ以外に、濃度センサ、圧力センサ又は湿度センサを採用することもできる。濃度センサ又は圧力センサによる場合は、各拡散通路1051,1052前後の酸素の濃度又は空気の圧力を検出し、発電反応に消費された酸素の量を検出することで、(2)式により算出することができる。湿度センサによる場合は、各拡散通路1051,1052前後での湿度の変化から直接的に検出することができる。
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第1に、燃料電池1のカソード側セパレータ105において、第1及び第2の領域105a,105bに対応させて、酸素拡散通路としての第1の拡散通路1051及び第2の拡散通路1052を区画して設け、各拡散通路1051,1052に対し、個別に空気を流通させることとした。このため、第1の領域105aにおいて、水蒸気が飽和する前に排出空気を第1の拡散通路1051から排出することで、この通路1051における結露を抑制することができる。他方、第2の領域105bにおいて、第1の拡散通路1051からの水蒸気の移動分を考慮し、加湿器402bによる水蒸気添加量を抑えることで、第2の拡散通路1052を流れる空気の湿度を良好なものとし、この通路1052における結露を抑制することができる。
第1に、燃料電池1のカソード側セパレータ105において、第1及び第2の領域105a,105bに対応させて、酸素拡散通路としての第1の拡散通路1051及び第2の拡散通路1052を区画して設け、各拡散通路1051,1052に対し、個別に空気を流通させることとした。このため、第1の領域105aにおいて、水蒸気が飽和する前に排出空気を第1の拡散通路1051から排出することで、この通路1051における結露を抑制することができる。他方、第2の領域105bにおいて、第1の拡散通路1051からの水蒸気の移動分を考慮し、加湿器402bによる水蒸気添加量を抑えることで、第2の拡散通路1052を流れる空気の湿度を良好なものとし、この通路1052における結露を抑制することができる。
第2に、第1の拡散通路1051を第1の領域105a内で終結させ、排出空気を第1の出口マニホールド1054から排出させるとともに、第2の拡散通路1052に対し、第2の入口マニホールド1055から新気を導入することで、第2の領域105bに対応する電極部分で酸素の濃度を高く維持し、燃料電池1の発電能力を向上させることができる。
図5は、カソード電極105上の位置Pcathに応じた酸素の濃度Dを、曲線Aにより示している。同図は、第1及び第2の供給通路301a,301bを流れる空気の流量を等しく設定した場合のものである。横軸は、第1の入口マニホールド1053の位置を原点とし、第1の出口マニホールド1054の位置をP1で、第2の入口マニホールド1055の位置をP2で示している。本実施形態では、第1及び第2の領域105a,105bで酸素拡散通路を区画し、これらの領域の境界付近で排出空気と新気とを入れ替えることとしている。このため、第2の領域105bに対応する電極部分で酸素の濃度Dを高く維持することができる。比較例として、酸素供給通路を分断せず、カソード電極を横断させて形成するとともに、隣り合う通路の間で空気の流通方向を逆向きに設定した場合のものを、曲線Bにより示している。この場合は、隣り合う通路を流れる排出空気及び新気がカソード電極上で混合し、酸素の濃度Dが平均され、低下するため、充分な発電能力を得ることができない。なお、点線A’は、他の比較例として、酸素拡散通路をカソード電極を横断させて形成し、酸素流通方向F1に全ての空気を流通させた場合のものを示している。
第3に、第1の拡散通路1051内で発電反応に伴い発生する水蒸気の量qh1を検出し、検出した水蒸気発生量qh1に応じて燃料電池1に供給される空気の湿度を低下させることとしたので、第1の拡散通路1051内の水蒸気を積極的に第2の拡散通路1052に移動させ、第1の拡散通路1051、特にその下流側末端部における結露を抑制することができる。
第4に、第2の拡散通路1052内で発電反応に伴い発生する水蒸気の量qh2を検出し、検出した水蒸気発生量qh2に応じて燃料電池1に供給される空気の湿度を低下させることとしたので、第2の拡散通路1052における結露を抑制することができる。この水蒸気発生量qh2に応じた制御に加え、空気の湿度を温度に応じて調整又は補正することで、結露の抑制がより確実なものとなる。
第5に、第1の供給通路301aに設置された加湿器402aによる水蒸気添加量に対し、第2の供給通路301bに設置された加湿器402bによる水蒸気添加量を少なく設定することで、簡単な設定方法でありながら、第2の拡散通路1052における結露を効果的に抑制することができる。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図6は、本実施形態に係る燃料電池のカソード側セパレータ105の、カソード電極との接合面を示している。
先の実施形態では、この接合面上で2つの領域105a,105bを設定し、領域毎に区画して2つの拡散通路1051,1052を設けることとしたが、本実施形態では、同じ接合面上で互いに隣接させて3つの領域105a〜105cを設定し、各領域に対応させて3つの拡散通路1051,1052,1071を設けることとしている。カソード側セパレータ105における酸素流通方向が燃料電池の実装状態で下向き(矢印F1)に設定されていること、各領域105a〜105cが酸素流通方向F1に隣接させて設定されていること、各拡散通路1051,1052,1071が領域の境界でカソード側セパレータ105のリブRにより区画されるとともに、領域毎に入口及び出口マニホールド1053〜1056,1072,1073が形成されること等は、先の実施形態のものと同様である。また、流量制御弁及び加湿器を領域毎に関連させて設置することも先の実施形態のものと同様であり、これらの装置を制御して、酸素流通方向F1に関して下流側の領域の酸素拡散通路に供給される空気ほど低い湿度に調整する。
先の実施形態では、この接合面上で2つの領域105a,105bを設定し、領域毎に区画して2つの拡散通路1051,1052を設けることとしたが、本実施形態では、同じ接合面上で互いに隣接させて3つの領域105a〜105cを設定し、各領域に対応させて3つの拡散通路1051,1052,1071を設けることとしている。カソード側セパレータ105における酸素流通方向が燃料電池の実装状態で下向き(矢印F1)に設定されていること、各領域105a〜105cが酸素流通方向F1に隣接させて設定されていること、各拡散通路1051,1052,1071が領域の境界でカソード側セパレータ105のリブRにより区画されるとともに、領域毎に入口及び出口マニホールド1053〜1056,1072,1073が形成されること等は、先の実施形態のものと同様である。また、流量制御弁及び加湿器を領域毎に関連させて設置することも先の実施形態のものと同様であり、これらの装置を制御して、酸素流通方向F1に関して下流側の領域の酸素拡散通路に供給される空気ほど低い湿度に調整する。
本実施形態によれば、上記第1〜第5の効果に加え、特に次のような効果を得ることができる。
図7は、カソード電極105上の位置Pcathと酸素の濃度Dとの関係を、本実施形態に関して示している。最も上流側の入口マニホールド1053の位置を原点とし、符号P1,P3は、対応する出口マニホールド1054,1056の位置を、符号P2,P4は、対応する入口マニホールド1055,1072の位置を示している。本実施形態では、第1〜第3の領域105a〜105cを設定し、酸素拡散通路を領域毎に区画して、3つに分けて形成することとしたので、先の実施形態のものに対し、下流側に進むほど酸素の濃度Dを増大させ、発電能力を向上させることができる。なお、領域の数は、要求される発電能力に応じて適宜に変更することができる。
図7は、カソード電極105上の位置Pcathと酸素の濃度Dとの関係を、本実施形態に関して示している。最も上流側の入口マニホールド1053の位置を原点とし、符号P1,P3は、対応する出口マニホールド1054,1056の位置を、符号P2,P4は、対応する入口マニホールド1055,1072の位置を示している。本実施形態では、第1〜第3の領域105a〜105cを設定し、酸素拡散通路を領域毎に区画して、3つに分けて形成することとしたので、先の実施形態のものに対し、下流側に進むほど酸素の濃度Dを増大させ、発電能力を向上させることができる。なお、領域の数は、要求される発電能力に応じて適宜に変更することができる。
1…燃料電池、101…電解質膜、102…アノード電極、103…カソード電極、104…アノード側セパレータ、105…カソード側セパレータ、105a…第1の領域、105b…第2の領域、1051…第1の拡散通路、1052…第2の拡散通路、201…燃料供給通路、202…燃料排出通路、301a…第1の供給通路、301b…第2の供給通路、302a…第1の排出通路、302b…第2の排出通路、401a…第1の調整手段としての流量制御弁、401b…第2の調整手段としての流量制御弁、402a,402b…湿度調整手段としての加湿器、501〜504…流量センサ、505…温度センサ、601…コントロールユニット。
Claims (12)
- 電解質膜の一側にアノード電極が、他側にカソード電極が形成された電池本体と、
電池本体のアノード電極側に配置され、アノード電極上に燃料を流通させる燃料拡散通路が形成されたアノード側セパレータと、
電池本体のカソード電極側に配置され、カソード電極上に酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス拡散通路が形成されたカソード側セパレータとを含んで構成され、
カソード側セパレータは、前記酸化剤ガス拡散通路として、このセパレータの第1の領域に設けられた第1の拡散通路と、この第1の領域に対し、第1の拡散通路における酸化剤ガスの実質的な流通方向に関して下流側に隣接する第2の領域に、第1の拡散通路とは区画して設けられた第2の拡散通路とを有する燃料電池。 - 前記第2の領域は、前記第1の領域に対し、前記燃料拡散通路における燃料の実質的な流通方向に関して下流側に隣接する請求項1に記載の燃料電池。
- 前記第1の拡散通路と、前記第2の拡散通路とは、カソード側セパレータに形成されたリブを介して隣接させて設けられた請求項1又は2に記載の燃料電池。
- 前記第1の拡散通路の下流側末端部と、前記第2の拡散通路の上流側末端部とは、隣接させて、互いに平行に設けられた請求項1〜3のいずれかに記載の燃料電池。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池と、
前記燃料拡散通路に接続された、アノード電極に供給される燃料を流通させる燃料供給通路と、
前記酸化剤ガス拡散通路に接続された、カソード電極に供給される酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給通路と、
この酸化剤ガス供給通路を流れる酸化剤ガスの湿度を調整する湿度調整手段と、を含んで構成され、
前記酸化剤ガス供給通路は、第1の拡散通路に接続された第1の供給通路と、第2の拡散通路に接続された第2の供給通路とを含んで構成され、
前記湿度調整手段は、第2の供給通路を流れる酸化剤ガスを、第1の供給通路を流れる酸化剤ガスとは異なる湿度に調整する燃料電池発電装置。 - 前記湿度調整手段は、第2の供給通路を流れる酸化剤ガスを、第1の供給通路を流れる酸化剤ガスよりも低い湿度に調整する請求項5に記載の燃料電池発電装置。
- 前記第1の供給通路を流れる酸化剤ガスの流量又は圧力を調整する第1の調整手段を更に含んで構成される請求項5又は6に記載の燃料電池発電装置。
- 前記第2の供給通路を流れる酸化剤ガスの流量又は圧力を調整する第2の調整手段を更に含んで構成される請求項5〜7のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
- 前記第1の拡散通路内での水蒸気発生量を検出する手段と、
この手段により検出された水蒸気発生量をもとに、前記第2の調整手段により前記第2の供給通路を流れる酸化剤ガスの流量又は圧力を制御する手段とを更に含んで構成される請求項8に記載の燃料電池発電装置。 - 前記第1の拡散通路内での水蒸気発生量を検出する手段と、
この手段により検出された水蒸気発生量をもとに、前記湿度調整手段により前記第2の供給通路を流れる酸化剤ガスの湿度を制御する手段とを更に含んで構成される請求項5〜9のいずれかに記載の燃料電池発電装置。 - 前記第2の拡散通路内での水蒸気発生量を検出する手段と、
この手段により検出された水蒸気発生量をもとに、前記第2の調整手段により前記第2の供給通路を流れる酸化剤ガスの流量又は圧力を制御する手段とを更に含んで構成される請求項8に記載の燃料電池発電装置。 - 前記第2の拡散通路内での水蒸気発生量を検出する手段と、
この手段により検出された水蒸気発生量をもとに、前記湿度調整手段により前記第2の供給通路を流れる酸化剤ガスの湿度を制御する手段とを更に含んで構成される請求項5〜11のいずれかに記載の燃料電池発電装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004190117A JP2006012684A (ja) | 2004-06-28 | 2004-06-28 | 燃料電池及び燃料電池発電装置 |
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ID=35779670
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JP2004190117A Pending JP2006012684A (ja) | 2004-06-28 | 2004-06-28 | 燃料電池及び燃料電池発電装置 |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2009123644A (ja) * | 2007-11-19 | 2009-06-04 | Kawamura Electric Inc | 燃料電池セル |
JP2009176435A (ja) * | 2008-01-21 | 2009-08-06 | Daihatsu Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
JP2012138224A (ja) * | 2010-12-27 | 2012-07-19 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池 |
-
2004
- 2004-06-28 JP JP2004190117A patent/JP2006012684A/ja active Pending
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JP2009123644A (ja) * | 2007-11-19 | 2009-06-04 | Kawamura Electric Inc | 燃料電池セル |
JP2009176435A (ja) * | 2008-01-21 | 2009-08-06 | Daihatsu Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
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